DRV2605：自动谐振追踪要点剖析

　　作者：德州仪器 （TI） 公司 Haptic产品线Brian Burk

　　1 引言

　　DRV2605是用于偏轴转动惯量（ERM） 和线性谐振致动器（LRA）（具有内置库和智能控制 Eng）的触觉驱动器。DRV260x系列器件使用一种名为自动谐振追踪的特殊LRA控制算法。自动谐振追踪使用LRA的反电动势 （back-EMF） 来检测和追踪谐振频率。之后，它能利用这种谐振频率信息驱动闭环LRA。自动谐振拥有许多好处，并且让LRA融合变得简单：

　　• 传动器振动更强、更一致

　　• 谐振驱动的功耗更低

　　• 拥有超速驱动和LRA制动能力，获得更好的响应时间

　　图1显示了一个自动谐振追踪系统的输入和输出信号。

　　

　　图1 LRA自动谐振检测

　　绿色波形为DRV2605的（PWM）输入，它是一个经过滤的PWM调制DC信号，代表输出波形的波形包络和波幅。黑色线条则是检测谐振频率的DRV2605所产生的正弦波输出。

　　2 自动谐振追踪的原理

　　自动谐振追踪利用LRA产生的反电动势来检测谐振频率。TI对这种反电动势进行了描述，以确定最佳的控制LRA频率、振动强度和开始/停止时间的方式。

　　

　　图2 DRV2605结构图

　　自动谐振追踪利用LRA的机电属性。在LRA内部，随着磁体靠近或者远离驱动电极，反电动势会随之变化。每个周期，DRV2605都会在输出引脚检测该反电动势信号，并发送至自动谐振引擎。之后，自动谐振引擎确定其频率。

　　如果频率过高，则DRV2605会降低输出频率；如果频率过低，则DRV2605增加输出频率。这种动态追踪可确保振动更加一致。如果使用的是非自动谐振驱动器，就很难实现震动一致，因为LRA谐振频率会始终随制造公差和环境因素而变化。实时追踪谐振频率对于保持震动的强度和一致性很重要。

　　3 自动谐振振动强度

　　线性谐振传动器的谐振频率非常窄，如图3所示。这种窄谐振频率是由LRA内部弹簧和质量体的谐振性能所导致的。在某个频率下，LRA的某一端谐振频率会急剧下滑。

　　

　　图3 线性谐振传动器谐振频率

　　图3显示了使用三个不同驱动器输出电压的加速度与频率的关系。随着电压增加，与加速度一样，谐振频率也发生变化，这让我们无法预先确定LRA的谐振频率。

　　无论谐振频率为何，自动谐振都会确保所有传动器的振动性能。在传动器振动时，TI的自动谐振算法会动态地确定谐振频率。

　　图4描述了DRV2605（蓝色点）和无自动谐振的DRV8601（橙色点）所驱动21个传动器的实验结果。这21个传动器的谐振频率均为230Hz数据表规定频率，但根据其最大加速度下的实际谐振频率被划分成7个频率组。橙色点驱动频率为230Hz，蓝色点则由自动谐振追踪算法所驱动。由该图我们知道，DRV2605显示各传动器之间的加速度一致，而橙色则由于恒定驱动频率（230Hz）出现各种不同的结果。该图表明，自动谐振拥有一致的传动器加速度。

　　

　　图4 DRV2605 与 DRV8601加速度性能图

　　4 自动谐振效率

　　LRA是一种弹簧-质量块系统，因此必须在谐振频率下驱动才能获得最大效率。与谐振电路一样，谐振振动时，LRA会重新利用系统的能量。若想在低于谐振频率数赫兹的频率下驱动，并且要获得与谐振频率一样的性能，会使机械弹簧力的方向与驱动器磁力的方向相反，从而带来能量的浪费。

　　使用自动谐振检测的DRV2605可确保高效地驱动传动器。我们使用两种度量标准来进行有效的测量：

　　1. 常见电度量标准，即使用瓦作为单位的功率

　　2. 瓦/g，即上述功率除以传动器产生的加速度。

　　当使用DRV2605驱动时，便可测得前面小节中21个传动器的输出功率，从而获得效率的极大提高。表1列举了21个传动器的效率百分比差异。效率提高的原因是使用了自动谐振追踪。

　　表1 自动谐振效率提高情况

　　

　　5 自动谐振制动

　　LRA制动是TI自动谐振驱动器独有的一种特殊功能。必须在谐振频率下驱动LRA，以获得最佳振动和启动性能。同样，制动LRA时，也必须使用该谐振频率来驱动，但180度相移除外。

　　图5显示了4个1/2周期谐振频率下驱动的点击震动波形。之后，使用180度相移正弦波来施加制动。除施加反相波形以外，DRV2605还追踪LRA的加速度，并根据加速度的水平调节输出电压。这样可以确保LRA迅速停止，并且不会再次开始振动。

　　

　　图 5 自动谐振制动

　　图6和图7对比了制动LRA的停止时间和无制动LRA的停止时间。请注意，图7中的橙色输出波形反相，出现在输入信号的下降沿。相比图6无制动波形，这种主动制动让LRA的停止时间快了75ms。从振动品质上来看，这样“更敏锐”或者“干脆”。

　　

　　图 6 无制动点击振动　　                                                              图 7 有制动点击振动

　　6 如何测量自动谐振

　　人们经常会问的一个问题是“我如何测量自动谐振频率呢？”它的测量方法非常简单。要想知道DRV260x系列器件的驱动频率，需测量经滤波的PWM调制输出波形。输出波形滤波让你可以看到重要的正弦波。

　　输出频率的测量可能很简单，但“我如何才能知道DRV260x驱动器是在谐振频率下驱动呢？”答案是，“由于存在许多环境因素，因此我们无法靠经验来确定准确的谐振频率。”如果我们换一种提问可能更容易回答：“自动谐振追踪的性能更好吗？”答案是“没错。”自动谐振动态地追踪LRA频率，从而改善加速度、效率和制动时间。

——本文选自电子发烧友网10月《触控技术特刊》“EE Design栏目”，转载请注明出处，违者必究！